302329

Đồ án điện tử công suất
quấn phần ứng vào lưới. Sau khi được nối vào lưới có điện áp là U
L
và tần số
lưới f
l
, dòng điện trong dây quấn phần ứng tạo nên từ trường quay với tốc độ
Ω
DB
. Khi có sự xê dịch giữa từ trường quay so với roto với tốc độ Ω
DB
- Ω =
sΩ
DB
thì trong dây quấn kích thích nối kín mạch qua R
HC
và trong dây quấn cảm
kiểu dây quấn ngắn mạch có bước không đều sẽ có dòng điện cảm ứng, tần số là
sf
L
(Ω: tốc độ góc của roto, s: hệ số trượt ).
Do tương tác của dòng điện cảm ứng trong các mạch vòng bị nối tắt của
roto với từ trường quay có momen điện từ không đồng bộ M
KD
như trong động
cơ không đồng bộ được hình thành chủ yếu do các dòng điện cảm ứng trong
dây cuốn cản. Vì vậy các tham số dây cuốn cản (điện trở, điện kháng) thuộc
vào số lượng, kích thước và vật liệu các thanh dẫn được chọn xuất phát từ các
điều kiện mở máy sao cho đảm bảo đầy đủ momen không đồng bộ trong tất cả
các giai đoạn khởi động. Do đó dây cuốn cản dùng cho khởi động không đồng
bộ còn gọi là dây cuốn mở máy.
Quan hệ giữa momen không đồng bộ của động cơ đồng bộ với hệ số trượt
M=f(s):
Khi bắt đầu quay, lúc đó hệ số trượt s = 1, momen mở máy bắt đầu M
mm
tác
dụng lên roto và ở hệ số trượt s
max
thì xuất hiện momen cực đại M
max
. Momen
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 5
M
kd
M
kdmax
M
s=0,05
M
kd
=0
R
tt
≠ 0
R
tt
= 0
M
m
0
s
0
0,05
s
max
0,5 1
s
Đồ án điện tử công suất
không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp lưới M
kd
≡ U
2
. Do đó nhất thiết
phải nói là các trị số đặc tính của nó M,
M
max
được xác định ở điện áp nào. Thông thường các momen đặc trưng không
đồng bộ được biểu thị theo tỉ số momen định mức của động cơ ở chế độ đồng
bộ: M
mm,
/ M
đm
, M
max
/M
đm.
Ta thấy trong việc hình thành momen không đồng bộ , ngoài sự tham gia
của dây cuốn cản còn có dây cuốn kích thích vốn là dây cuốn 1 pha. Dòng điện
cảm ứng trong dây quấn kích thích tạo ra từ trường đập mạch hướng theo dọc
trục, khác với từ trường quay sinh ra do dòng điện nhiều pha trong dây quấn
cản. Do đó trong đường cong momen không đồng bộ xuất hiện “chỗ lõm” ở khu
vực s = 0.5 có thể làm cho việc mở máy động cơ bị xấu đi. Cũng phải nhấn
mạnh là khi mở máy , dây quấn kích từ nhất thiết phải nối với máy kích thích
hoặc điện trở triệt từ vì trong dây quấn kích từ để hở mạch sẽ xuất hiện điện áp
đáng kể chọc thủng cách điện và làm hỏng máy.
* Giai đoạn 2:
Cuối giai đoạn thứ nhất: khi tốc độ đạt 95% -98% tốc độ đồng bộ. Lúc này
ta đưa dòng kích từ vào roto để tạo ra momen đưa tốc độ động cơ lên đồng bộ.
Giai đoạn này rất quan trọng vì nếu không đưa động cơ lên tốc độ đồng bộ thì
động cơ sẽ làm việc ở trạng thái không đồng bộ và cuộn khởi động sẽ bị phát
nóng quá mức, có thể bị cháy.
5. Vào/ ra đồng bộ:
Sau khi mở máy và được kéo vào đồng bộ , ở chế độ xác lập dòng điện
trong dây quấn đó không tồn tại.
Tuy nhiên, bất kì quá trình quá độ nào liên quan đến sự thay đổi điện áp
dòng kích từ hoặc momen ngoài thì từ thông móc vòng với dây cuốn cản thay
đổi và trong dây cuốn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng làm quá trình quá độ tiến
hành thuận lợi hơn. Điều này làm cho máy đồng bộ hàng loạt các loại đặc tính
quí giá mà quan trọng nhất là khả năng làm việc ở những chế độ đồng bộ mà ở
cả chế độ không đồng bộ trong trường hợp mất đồng bộ. Cũng có khả năng là
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 6
Đồ án điện tử công suất
momen không đồng bộ xuất hiện trong khoảnh khắc tốc độ góc roto lệch khỏi
đồng bộ, khi đó việc xuất hiện momen không đồng bộ tạo thuận lợi làm chuyển
dễ dàng hơn sang chế độ mới, khôi phục lại tốc độ đồng bộ của roto.
Điện áp lưới sụt thấp, dòng kích từ momen giảm hoặc momen ngoài tăng
đột ngột có thể là nguyên nhân mất đồng bộ.
Sự mất đồng bộ sẽ xảy ra khi momen ngoài vượt momen đồng bộ cực đại
M
dbmax
. Sau đó mất đồng bộ dưới tác dụng của momen ngoài, tốc độ góc quay
của rôto trở lên lớn hơn đồng bộ nếu trước đó máy làm việc như máy phát và
nhỏ hơn đồng bộ nếu máy làm việc như động cơ.
Khi tốc độ roto càng sai khác tốc độ từ trường thì hệ số trượt tăng, momen
điện từ không đồng bộ tăng dần và ở một hệ số trượt s nào đó, momen ngoài có
thể cân bằng momen điện từ không đồng bộ.
Khả năng làm việc của máy đồng bộ ở chế độ không đồng bộ sau khi mất
đồng bộ được xác định do đặc tính của momen không đồng bộ của máy.
Hệ số trượt xác lập chế độ không đồng bộ.

2
2
cos
L
dm
kd
N
U
R
M
M
s
ϕ
==
Hệ số trượt này rất bé , trong các máy lớn bằng vài phần nghìn. Do đó sau
khi mất đồng bộ trong nhiều trường hợp máy chuyển sang chế độ không đồng
bộ. Thời gian kéo dài cho phép của chế độ không đồng bộ thuộc tổn hao sinh ra
trong các mạch bị nối tắt ở roto.
P
cu 2
= s. P
dt
≈ s. P
Nó phải được đánh giá từ trước bằng tính toán nhiệt thông thường có thể
làm việc dài hạn ở chế độ không đồng bộ khi hạ thấp công suất chút ít . Vì ở chế
độ không đồng bộ , máy không phát công suất phản kháng vào hệ thống nên sau
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 7
Đồ án điện tử công suất
khi loại trừ sự cố dẫn đến mất đồng bộ phải đưa máy trở lại chế độ đồng bộ. Quá
trình đưa từ chế độ không đồng bộ về chế độ đồng bộ gọi là tái đồng bộ .
Quá trình tái đồng bộ tương tự như đồng bộ. Nếu hệ số trượt ở chế độ
không đồng bộ nhỏ hơn nhiều so với hệ số trượt vào đồng bộ s
o
, ở đó có thể kéo
vào đồng bộ thì có thể thực hiện tái đồng bộ mà không cần phải tác động gì. Nếu
ở chế độ không đồng bộ, hệ số trượt s lớn hơn s
0
thì phải điều chỉnh dòng kích
từ: tăng dòng kích từ để có thể kéo vào động bộ.
II. Yêu cầu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật.
Mạch tự động cấp kích từ cho động cơ không đồng bộ, đảm bảo quá trình
khởi động cho động cơ theo chế độ không đồng bộ. Trong quá trình làm việc
phải cho phép chế độ quá kích thích trọng thời gian đến vài trục giây và điều
chỉnh được.
Ta biết rằng khởi động động cơ đồng bộ là quá trình đưa động cơ vào làm
việc bắt đầu đặt điện áp xoay chiều 3 pha vào dây quấn stato, trong máy có từ
trường quay quay với tốc độ đồng bộ n
1
=
p
f60
, cho đến khi ta đưa kích từ một
chiều vào dây quấn roto thì roto trở thành một nam châm điện. Tác dụng tương
hỗ giữa từ trường quay và từ trường của roto sẽ sinh ra mômen điện từ làm cho
roto quay cùng chiều quay với từ trường với tốc độ n = n
1
. Tuy nhiên để thực
hiện được như vậy là không dễ dàng, đặc biệt là với động cơ đồng bộ có công
suất lớn. Vì vậy thường sử dụng phương pháp không đồng bộ gồm 2 giai đoạn
để khởi động cho động cơ đồng bộ (như đã nói ở chương 1) và mạch thiết kế cần
phải đảm bảo được yêu cầu này.
Nhưng không phải lúc nào động cơ cũng vào được tốc độ đồng b. Khi phát
hiện hệ có nguy cơ mất đồng bộ thì tự động cấp quá kích thích để tăng dòng kích
từ để giữ đồng bộ song chỉ nên duy trì một thời gian. Sau khoảng thời gian này
mà vẫn không thể vào được đồng bộ thì ngắt hệ ra khỏi nguồn và thực hiện lại
quá trình khởi động.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 8
Đồ án điện tử công suất
Thực tế cho thấy là động cơ làm việc đồng bộ rồi mà vẫn có thể mất đồng
bộ do các nguyên nhân như điện áp lưới sụt thấp, dòng kích từ giảm hoặc
momen cảm tăng đột ngột. Có thể phát hiện ra bằng cách so sánh tốc độ của roto
với tốc độ của từ trường (nhờ phản hồi âm tốc độ) tức là trong mạch có sử dụng
một máy phát tốc. Sau đó lại tự động thực hiện quá trình cấp quá kích từ như
trên.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 9
Đồ án điện tử công suất
CHƯƠNG 2:
LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN
I. Hệ kích từ máy đồng
1. Dùng máy kích thích một chiều.
Máy kích thích một chiều FK
t
, FK được kéo một động cơ sơ cấp (có thể
dùng động cơ không đồng bồ roto lồng sóc). Có cuộn dây kích từ L
FK
nối song
song. Biến trở R để thay đổi từ thông của FK nhằm thay đổi điện áp phát ra của
FK.
Như vậy sức điện động cảm ứng sinh ra trong dây quấn cảm ứng phụ thuộc
dòng kích thước i
t
và tốc độ quay của máy theo biểu thức:
a. R.i
t
+ L
FK
.
E
dt
di
t
=

Khi dòng điện đạt đến trị số xác lập i
t
= I
t
thì
0
=
dt
di
t
và điện áp ngược được
tạo ra ở đầu máy là a. R. I
t
= E. Do đó điện áp xác lập của FK phụ thuộc vào
biến trở R.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 10
Đồ án điện tử công suất
Nhận thấy trên đường đặt tính khi R tăng thì điện áp phát ra sẽ giảm vì vậy
muốn thay đổi dòng kích từ qua dây quấn kích từ của động cơ thì phải thay điện
trở kích từ của dây quấn kích từ và thay đổi tốc độ của động cơ sơ cấp. Việc
điều chỉnh R là rất khó khăn và độ chính xác không cao hơn nữa việc thay đổi
tốc độ động cơ sơ cấp không dễ và phạm vi điều chỉnh hẹp. Vì vậy dùng máy
kích từ một chiều để cấp kích từ cho động cơ đồng bộ có công suất lớn là không
kinh tế và rất khó khăn trong việc khởi động và giữ đồng bộ động cơ với lưới.
2. Hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều kết hợp với bộ chỉnh lưu:
Có 2 phương án:
a. Máy kích từ có phần cảm quay, phần ứng tĩnh
b. Máy kích từ xoay chiều có phần cảm tĩnh, phần ứng quay
Theo phương pháp này, phần tĩnh và phần quay được trình bày tách biệt
bằng đường phân ranh giới thẳng đứng. Muốn dòng điện đi qua đường phân
ranh giới đó cần phải có vành trượt và chổi điện. Rõ ràng là phương án (b)
không đòi hỏi vành trượt và chổi điện. Ưu điểm này rất quan trọng đối với
những máy đồng bộ công suất lớn cần dòng kích từ mạch (khoảng 3000A cho
máy phát đồng bộ 600KW). Tuy nhiên giải pháp này kéo theo những khó khăn
về chế tạo phần ứng quay (so với chế tạo phần cảm quay), hơn nữa các điot
chỉnh lưu phải chịu các lực ly tâm lớn và phải được đặt sao cho roto đảm bảo
cân bằng động. Máy kích từ xoay chiều được nối trục với máy phát đồng bộ.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 11
E
dư
a
3
R > a
2
R >a
1
R
Đồ án điện tử công suất
Dòng điện phần ứng của máy kích từ điều chỉnh trực tiếp dòng kích từ I
t
. Dùng
tiristo chỉnh lưu sẽ làm tăng nhanh đáp ứng điều khiển, nhưng đối với phương
án (b) khó khăn gặp phải là vấn đề truyền tín hiệu điều khiển vào tiristo quay.
3. Hệ tự kích thích:
Trong trường hợp này điện áp và dòng kích từ tỷ lệ với tổng vectơ các điện
áp U
t
và U
i
của các máy biến áp TU và máy biến dòng TI.
II. Sơ đồ chỉnh lưu
Để cung cấp nguồn 1 chiều cho cuộn kích từ của động cơ đồng bộ, ta phải
sử dụng một mạch chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều có
sẵn thành năng lượng dòng điện 1 chiều. Thực tế có rất nhiều phương án có thể
sử dụng được, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế
ta cần xét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh lưu điốt
không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các mạch chỉnh lưu điều khiển
1. Chỉnh lưu một pha:
Chỉnh lưu một pha thường được chọn khi nguồn cấp là lưới điện một pha,
hoặc công suất không quá lớn so với công suất lưới (làm mất đối xứng điện áp
lưới) và tải không có yêu cầu quá cao về chất lượng điện áp một chiều. Trong
chỉnh lưu một pha nếu tải có dòng địên lớn và điện áp thấp, thì sơ đồ một pha
chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính có ưu điểm hơn, bởi vì trong sơ đồ
này tổn hao trên van bán dẫn ít hơn, nên công suất tổn hao trên van so với công
suất tải nhỏ hơn, điện áp ngược của van lớn (nếu điện áp cao mà chọn sơ đồ này
có thể không chọn được van bán dẫn). Nếu tải có điện áp cao và dòng điện nhỏ
thì việc chọn sơ đồ cầu chỉnh lưu một pha hợp lý hơn do hệ số điện áp ngược
của van trong sơ đồ cầu nhỏ hơn do đó dễ chọn van.
Chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập
mạch điện áp quá lớn, thành phần hài bậc cao lớn: điều này không đáp ứng được
cho nhiều loại tải.
Do nguồn cấp là lưới 3 pha công nghiệp nên việc sử dụng chỉnh lưu một
pha có nhiều hạn chế, mặt khác do yêu cầu về chỉnh lưu và giá trị điện áp, dòng
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 12
Đồ án điện tử công suất
điện lớn nên ta không nên dùng chỉnh lưu một pha. Yêu cầu cao về chất lượng
điện áp một chiều cung cấp cho cuộn kích từ để đảm bảo tốc độ đồng bộ cho
động cơ đồng bộ cần thực hiện với mạch chỉnh lưu nhiều pha hơn.
2. Chỉnh lưu 3 pha:
a. Chỉnh lưu tia 3 pha:
Chỉnh lưu tia 3 pha không cho phép đấu thẳng vào lưới điện như vậy phải
sử dụng máy biến áp có công suất lớn hơn công suất phía một chiều 1,35 lần. Bộ
chỉnh lưu này chỉ sử dụng 3 Thyristor đấu katôt chung vì vậy việc điều khiển
chúng là dễ dàng. Tuy nhiên do công suất phía một chiều đòi hỏi lớn lên khi sử
dụng bộ chỉnh lưu này sẽ làm mất đối xứng giữa tải và nguồn. Vì vậy, chỉnh lưu
tia 3 pha thường được chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp
nguồn cấp (để tránh gây mất đối xứng cho nguồn lưới), và khi tải có yêu cầu
không quá cao về chất lượng điện áp một chiều. Sử dụng mạch chỉnh lưu này
luôn cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính ra tải; và do sụt áp trong mạch
van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp làm việc thấp. Vì sử dụng nguồn 3
pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều (đến vài trăm ampe), mặt khác độ
đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc
cũng nhỏ đi nhiều.
b. Chỉnh lưu cầu 3 pha:
Đây là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì có nhiều ưu điểm hơn
cả. Nó cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%), nếu
có dùng biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên, đồng thời công suất
máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất tải. Công suất mạch chỉnh lưu này có thể
rất lớn, đến hàng trăm kw.
Chỉnh lưu cầu 3 pha sẽ được chọn khi cần chất lượng điện áp ra một chiều
tốt vì đây là sơ đồ có chất lượng điện áp ra tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu
thường gặp. Để giảm tiết diện dây quấn thứ cấp biến áp thì các cuộn dây thứ cấp
biến áp có thể đấu tam giác.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 13
Đồ án điện tử công suất
Nhược điểm của chỉnh lưu cầu 3 pha là sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ
đồ hình tia nên cũng không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10 V.
Kết luận:
Từ thực tế của yêu cầu thiết kế với yêu cầu về chất lượng điện áp một chiều
tốt để có thể cung cấp cho cuộn kích từ của động cơ đồng bộ, đảm bảo cho việc
tạo ra tốc độ đồng bộ theo yêu cầu và được duy trì lâu dài, với số liệu đã cho về
giá trị điện áp, dòng điện, công suất kích từ, ta nhận thấy việc sử dụng mạch
chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46 14

Xem chi tiết: 302329